专题讲座1－CDMA及其应用

信号与系统信号与系统 陆陆建建华华 清华大学电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系清华大学电子工程系 20052005年春季学期年春季学期 清华大学电子工程系 陆建华 2 专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 讲座：CDMA及其应用 专题讲座： CDMA及其应用 清华大学电子工程系 陆建华 3 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 提要 • 发展背景 • CDMA的基本原理（信号分析） • CDMA的关键技术（信号设计和处理） • 应用实例 专题讲座：CDMA及其应用 清华大学电子工程系 陆建华 4 专题讲座：CDMA及其应用 CDMA的发展 ¾多址通信是现代通信的主要方式 ¾码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access） 主要多址技术之一，和其它多址方式相比，有独特的优越性。 ¾发展历程 军用 民用：1985年5月，美国联邦通信委员会（FCC）制定了 民用扩频通信的规范 抗干扰技术 多址技术 ：美国国家航空和航天管理局（NASA） 的报告指出，CDMA比FDMA频谱利用率更高，由此产生深远影响。 清华大学电子工程系 陆建华 5 专题讲座：CDMA及其应用 核心思想： 正交复用，即利用地址码（或者称为扩频序列集）的正交性实 现多个用户同时复用时间／频率／空间资源。 技术优势： 1991年5月，William C. Y. Lee发表了“Overview of Cellular CDMA”， 文中指出：采用功率控制的CDMA蜂窝系统的容量是FDMA方式的20 倍，TDMA方式的4倍。 CDMA的基本原理 清华大学电子工程系 陆建华 6 专题讲座：CDMA及其应用 一个简单的例子：正交复用概念 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 1 2 cos sin sin 1 1sin 2 1 cos 2 2 2 g t t g t t t g t t g t t ω ω ω ω ω +⎡ ⎤⎣ ⎦ = + −⎡ ⎤⎣ ⎦ i ( )2g tLPF ( )2g t ( )1g t ( )1g t ( )2g t ∑( )sin tω × ( )cos tω ( )sin tω × ( )cos tω LPF LPF 清华大学电子工程系 陆建华 7 专题讲座：CDMA及其应用 CDMA通信原理简介（举例说明）： 假设CDMA系统的某个小区有k个用户，要实现 k个 用户同时和基站进行通信，设计该系统。 1 设计一组地址码（扩频序列） 2 发送端设计 3 接收端设计 4 CDMA扩频处理增益 5 系统特点 清华大学电子工程系 陆建华 8 专题讲座：CDMA及其应用 1 设计一组地址码 地址码和扩频序列 要实现多个用户同时和基站通信，对每个用户分配一个码 字，区分不同用户，这就是地址码 。 利用地址码区分用户，同时实现了频谱的展宽（即扩频）， 所以地址码通常由扩频序列构成。 ( ){ }k tc Note：有些系统扩频序列不用来实现多址，单纯用于扩频。 清华大学电子工程系 陆建华 9 专题讲座：CDMA及其应用 举例：一组地址码 地址码1: 1 1 1 1 －1 －1 －1 －1 地址码2: 1 1 －1 －1 1 1 －1 －1 地址码3 : 1 －1 1 －1 1 －1 1 －1 地址码4: 1 －1 －1 1 1 －1 －1 1 1c 2c 3c 4c 清华大学电子工程系 陆建华 10 专题讲座：CDMA及其应用 序列相关函数的定义 （非周期延拓，本课程用例） ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 0 1 , 0 0 1 1 0 0 N j k N j x y k x k y k j j N R j x k j y k N j j N − − = − − = ⎧ + ≤ ≤ −⎪⎪⎪⎪= − − ≤ ≤⎨⎪⎪ ≥⎪⎪⎩ ∑ ∑ 自相关函数 地址码4: 1 －1 －1 1 1 －1 －1 1 j＝0时， R = 8 j＝1时，R = (-1)×1 + (-1)× (-1) + 1× (-1) + 1×1 + (-1)×1 + (-1)×(-1) + 1× (-1) = －1 相关函数的另一定义（序列周期延拓，实际系统中常用） ( ) ( ) ( )1, , 0 N T x y k R j x k y k j − = = +∑ 清华大学电子工程系 陆建华 11 专题讲座：CDMA及其应用 该组地址码的相关函数（1） 自相关函数 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 时间 自 相 关 清华大学电子工程系 陆建华 12 专题讲座：CDMA及其应用 该组地址码的相关函数（2) 互相关函数 考虑地址码1和4 的互相关 特点：性能较好 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 时间 互 相 关 清华大学电子工程系 陆建华 13 专题讲座：CDMA及其应用 CDMA中地址码组的相关性的设计要求： m序列的自相关函数：优于前面给出的地址码 ( ) ( ) ( ), 0 , 0Tk i k iR c t c t dt T k iτ τ= − = = =∫ ( ) ( ) ( ), 0 0Tk i k iR c t c t dt T k iτ τ= − ≠ ≠∫ � 或 清华大学电子工程系 陆建华 14 专题讲座：CDMA及其应用 2 CDMA系统的发送端：扩频原理 待发送的0,1序列先经过信息调制，然后再经过扩频调制，如图 ×× ( )ks t ( )kc t ( )kd t ( )cos tω (1)信息调制 ( ) ( )coskd t tω (2)扩频调制 ( ) ( ) ( ) ( )cosk k ks t c t d t tω= 清华大学电子工程系 陆建华 15 专题讲座：CDMA及其应用 3 CDMA系统的接收端：相关接收／解扩处理 要实现信号的正确解扩，需要两个条件 Note： 实现码位一致，即扩频码的捕捉和跟踪，是接收端的关键技术之一。 （1）每个用户采用不相同的扩频码，只能接收发给自己的 信号，即实现 ( ) ( ) ( ) ( ), 0 , 0 1Tk i k iR c t c t dt T k iτ τ= − = = =∫ k i= （2）需要码位（相位）一致，也即实现上面（1）中的 0τ = 清华大学电子工程系 陆建华 16 专题讲座：CDMA及其应用 码位一致以后，接收信号先经解扩，然后信息解调， 得到用户的信息。 ×× ( )kd t ( )kc t τ− ( )r t ( )cos tω τ−⎡ ⎤⎣ ⎦ ∫ （1）用相关器实现解扩， 然后中频滤波（积分表示）得到 ( ) ( ) ( ) ( )( )cosk k kc t c t d t tτ τ τ ω τ− − − − ( ) ( )( )coskd t tτ ω τ− − （2）信息解调，得到 ( )kd t 清华大学电子工程系 陆建华 17 专题讲座：CDMA及其应用 4 CDMA系统的扩频处理增益 CDMA是扩频通信的一种，称为直接序列扩频（DSSS）。 假设信源 的码元周期为 ，可近似认为其带宽为 ； 地址码 的码元周期为 ，则其带宽近似为 ； 一般有： ( )kc t ( )kd t TΩ 1B TΩ Ω = cT 1 c c B T = cT TΩ� cB BΩ� 利用地址码的扩频调制可实现待传送信号带宽的展宽，能获得 扩频处理增益N。 清华大学电子工程系 陆建华 18 专题讲座：CDMA及其应用 CDMA扩频增益（举例） 频谱的展宽，扩频处理增益为 4cBN BΩ = = ( )F ω ( )F ω ω ω 1 4 清华大学电子工程系 陆建华 19 专题讲座：CDMA及其应用 CDMA扩频增益（续） 解扩，也即相关接收，获得扩频处理增益。 ( )F ω ( )F ω ω ω 1 4 ( )F ω ω 清华大学电子工程系 陆建华 20 专题讲座：CDMA及其应用 5 CDMA系统的特点 关键: 9码集的正交性实现多址 9扩频增益 9相关接收技术 优点: 9软切换、软容量和可采用各种信号处理技术 缺点： 9 “远近效应”和功率控制 清华大学电子工程系 陆建华 21 CDMA的关键技术 专题讲座：CDMA及其应用 ¾地址码的设计（信号设计） ¾地址码的捕捉、跟踪（信号处理、系统设计） ¾多用户检测、信道估计（信号处理、系统设计） 清华大学电子工程系 陆建华 22 地址码的设计 专题讲座：CDMA及其应用 重要性： 决定系统容量、抗衰落、抗干扰、抗噪声、同步和保密性能等 主要设计要求： 9尖锐的自相关特性 9处处为零的互相关，也即正交性 9码字数量足够多 9尽可能大的编码复杂度 清华大学电子工程系 陆建华 23 专题讲座：CDMA及其应用 常用扩频码： Walsh函数、PN序列、GOLD序列等 以Walsh函数为例： Walsh函数的构造方法 z 利用Walsh函数的对称性（见课本6.5章节） z 利用Hadamard矩阵的行或是列构成： 2 N NN N N H H H H H ⎛ ⎞=⎜ ⎟⎝ ⎠ 1 1 2 1 1 0 0 0 1 H H H H H ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠( )1 0H = 2 24 2 2 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 H H H H H ⎛ ⎞⎜ ⎟⎛ ⎞ ⎜ ⎟= =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎜ ⎟⎝ ⎠ 清华大学电子工程系 陆建华 24 地址码的捕捉 专题讲座：CDMA及其应用 基本思想： 设计一个物理系统（接收机中的捕捉系统），对信号（经过地 址码调制的信号）进行处理（相位识别） 原理： # ( )PN t 2 cTPN t⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠ ( )2 1 2 cTPN t N⎛ ⎞− −⎜ ⎟⎝ ⎠ 清华大学电子工程系 陆建华 25 专题讲座：CDMA及其应用 常用的捕捉方法： 9滑动相关捕捉法（不断改变本地地址码的相位） 9匹配滤波器捕捉法 比较： 9系统实现复杂度（空间复杂度） 9捕捉时间（性能和时间复杂度） Note：性能和复杂度的折中是系统设计时常常要考虑的。实际系统 中，常采用发射导频辅助扩频码的捕捉和跟踪。 清华大学电子工程系 陆建华 26 CDMA的主要应用 专题讲座：CDMA及其应用 9移动通信：3G中的CDMA2000，WCDMA及其改进等 9军事通信：低信噪比通信，抗侦察 9卫星通信和深空通信： VSAT系统、卫星移动通信、NASA航天飞机的通信等 9测距和定位：GPS定位系统 …… 清华大学电子工程系 陆建华 27 CDMA的应用实例 专题讲座：CDMA及其应用 移动通信中的CDMA技术 北美： IS-95 （IS-95A,IS95B） CDMA2000 1X CDMA2000 3X（3载波） CDMA2000 1xEV-DO（数据） CDMA2000 1xEV-DV（数据、话音） 欧洲、日本： WCDMA 中国： TD-SCDMA (TDD) LAS-CDMA 清华大学电子工程系 陆建华 28 CDMA的应用实例 专题讲座：CDMA及其应用 CDMA2000中的地址码（扩频序列）的应用 地址码（扩频序列）的作用，不限于实现多址，在下 面各个方面都获得了应用： ‹区分不同的物理信道和用户 ‹扩频 ‹正交调制 ‹发射分集 清华大学电子工程系 陆建华 29 专题讲座：CDMA及其应用 1 Walsh码区分不同物理信道 9 CDMA2000中采用可变长度的Walsh码区分不同的物理信 道，以实现速率匹配和增大容量。 9Walsh码的数量受限，可采用乘以相应的掩码的方法生成准 正交函数（QOF，Quasi-Orthogonal Function）。 问题：（1）不同长度的Walsh码如何保证正交性? （2）Walsh码数量有何限制？是否存在突破这个限制的码？ 清华大学电子工程系 陆建华 30 专题讲座：CDMA及其应用 不同长度Walsh码的相关性（习题6-24） 如何构造不同长度的正交Walsh码？ 定义：不同长度的Walsh码的互相关函数 对于两个不同长度的码组 和 ，其中 ，其互相关系数为： ( )0 1 1, , , mX x x x −= " ( )0 1 1, , , nY y y y −= " m n< ( ) ( ) 1 mod 0 1 m xy i i m i x y m τ ρ τ − + = = ∑ 清华大学电子工程系 陆建华 31 专题讲座：CDMA及其应用 不同阶的Walsh码的正交的条件 Walsh码的码树： 结论：（1）不同码树上的Walsh码（同阶或是不同阶）正交 （2）相同码树上的根Walsh码和子Walsh码不正交，不能应 用于同一蜂窝小区的不同信道，否则会造成严重干扰。 ( )2,0 00W = ( )1,0 0W = ( )2,1 01W = ( )4,0 0000W = ( )4,2 0011W = ( )4,1 0101W = ( )4,3 0110W = ( )8,0 00000000W = ( )8,4 00001111W = ( )8,2 00110011W = ( )8,6 00111100W = ( )8,1 01010101W = ( )8,5 01011010W = ( )8,3 01100110W = ( )8,7 01101001W = 清华大学电子工程系 陆建华 32 专题讲座：CDMA及其应用 2 长PN码区分不同用户 CDMA2000中长码和掩码共同形成用户的识别 码，长码利用不同的初始相位构成不同的码型。 清华大学电子工程系 陆建华 33 专题讲座：CDMA及其应用 3 短PN码实现直接序列扩频（DSSS) 短PN码的直接扩频序列分为I、Q两路，其PN码 的特征多项式分别为： CDMA2000中扩频是一种复扩频，但是其基本 原理和前面介绍的相同，这里不再赘述。 ( ) 15 13 9 8 7 5 1IP x x x x x x x= + + + + + + ( ) 15 12 11 10 6 5 4 3 1QP x x x x x x x x x= + + + + + + + + 清华大学电子工程系 陆建华 34 专题讲座：CDMA及其应用 CDMA2000中的地址码（扩频序列） 9长PN码区分不同用户（多址） 9Walsh码来区分不同的物理信道（多址、扩频） 9短PN码实现二次扩频（扩频） 清华大学电子工程系 陆建华 35 专题讲座：CDMA及其应用 小结 CDMA的基本理论较为成熟，但是在实际应用中仍 然存在很多问题，仍然有很大的研究空间。 例如： （1）移动通信中存在各种衰落，这种情况下地址码码的性 能？是否存在性能更优越的码字？（例如 LAS 码）（信号设计） （2）选定某种地址码后，如何改进接收技术降低各种衰落和 干扰对系统性能造成的影响？（Rake技术）（信号处理） 清华大学电子工程系 陆建华 36 预祝同学们预祝同学们 节日愉快节日愉快